4.8. Четырехквадрантный преобразователь

По своему схемному исполнению и алгоритму управления четырехквадрантный (4qS) преобразователь является автономным инвертором напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией напряжения.

Принцип действия и основные соотношения, характеризующие работу преобразователя рассмотрим с помощью схемы (рис. 4.20).

Транзисторы и диоды образуют схему четырехквадрантного преобразователя, подключенного к источнику переменного напряжения через согласующий дроссель . Индуктивность воспринимает разность напряжений и на входе преобразователя. В цепь постоянного тока включены источник постоянного напряжения и конденсатор фильтра , предназначенный для шунтирования высших гармоник тока нагрузки . Подключение конденсатора большой ёмкости к источнику придает ему свойства источника напряжения. Транзисторы и встречно-параллельно включенные обратные диоды образуют ключевые элементы схемы, обладающие двусторонней проводимостью.

Рис. 4.20. Схема включения 4qS-преобразователя

Схема четырёхквадрантного преобразователя представляет собой два встречно включенных мостовых выпрямителей – управляемого и неуправляемого , соединенных со стороны зажимов постоянного напряжения. К зажимам переменного напряжения через индуктивность подключен входной источник переменного напряжения , а нагрузка в виде источника эдс Е_d и конденсатора С_d включена между анодной и катодной группами неуправляемого выпрямителя . Принцип работы преобразователя предполагает включение индуктивности в цепь источника _.

Четырёхквадрантный преобразователь может работать в режимах выпрямления, инвертирования и тактирования и их сочетании [8].

В режиме выпрямления (рис. 4.21) ток в цепи протекает в один полупериод через обратные диоды , а в другой – через . Поскольку ток совпадает с напряжением входного источника , он является источником электрической энергии. Ее потребителем становится цепь постоянного напряжения , поскольку направление тока противоположно напряжению источника .

Рис. 4.21. Выпрямительный режим работы

Рекуперация энергии от источника E_d (режим инвертирования) осуществляется путем включения пары транзисторов VS1, VS4 (VS2, VS3) разных групп преобразователя (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Инверторный режим работы

В этом случае в преобразователе протекает ток i_и = i_с, совпадающий с E_d и направленный встречно напряжению е_с, что указывает на режим генерирования энергии источником E_d и ее потреблением цепью входного источника е_с. Для реализации этого режима напряжение E_d на выходе преобразователя должно быть больше амплитудного значения напряжения источника питания, т.е. . Из этого условия следует, что преобразователь не может регулировать выходное напряжение ниже амплитудного значения источника питания е_с.

Режим тактирования характеризуется включением одного из транзисторов преобразователя. В этом случае вход преобразователя закорочен открытым транзистором одного и обратным диодом другого плеча моста. Например, при полярности е_с, указанной на рис. 4.23, ток i_с может протекать через VS1, VS3 или VS2, VS4. В этом режиме происходит запасание магнитной энергии в индуктивности L_c; выходная цепь с источником E_d отключена от преобразователя закрытыми транзисторами VS2, VS4 (VS1, VS3).

Рис. 4.23. Режим тактирования

Включение и выключение транзисторов VS1–VS4 преобразователя осуществляется по алгоритму, обеспечивающему широтно-импульсную модуляцию напряжения по синусоидальному закону (см. п. 4.7.2). Управляющее напряжение для VS1–VS4 формируется системой управления путем сравнения двух модулирующих напряжений u_м1, u_м2 (u_м2 = – u_м1) и сигнала генератора пилообразного напряжения u_гпн (рис. 4.24). Частота генератора f_гпн = кf_с должна быть нечётно кратна частоте f_с входного источника е_с. На рис. 4.24 показаны диаграммы напряжений и токов, относящиеся к работе -преоб­разователя с k = 5.

Импульсы управления транзисторами VS1–VS4 формируются в моменты равенства напряжений и , им соответствуют следующие логические функции [8, 11]:

(4.29)

Логическая 1 соответствует проводящему состоянию транзистора, а 0 – закрытому. Символ инверсии в формуле (4.25) означает противоположное состояние элементов и ( ). При включении диагональных транзисторов и ( ), согласно рис. 4.24, формируется напряжение u₁ на зажимах переменного тока преобразователя с амплитудой ±E_d и регулируемое по закону модулирующего напряжение u_м. Фаза первой гармоники этого напряжения u₁₁ зависит от фазового угла сдвига ψ модулирующего напряжения u_м относительно напряжения источника . В этом случае при встречном включении источников и  =  , ток во входной цепи преобразователя определяется по формуле

. (4.30)

При включении смежных элементов ( или ) образуется контур протекания тока через обратный вентиль и транзистор преобразователя.

Этот интервал работы преобразователя соответствует режиму тактирования (см. рис. 4.23). Источник отключен от преобразователя закрытыми транзисторами ( ), поэтому напряжение на зажимах переменного тока u₁, а также ток нагрузки i_d равны нулю. Входной ток преобразователя ограничен индуктивностью , при u₁= 0 он определяется выражением

. (4.31)

Рис. 4.24. Диаграммы работы четырёхквадрантного преобразователя

При происходит нарастание тока и запасание энергии в индуктивности .

Из рис. 4.24 следует, что входной ток имеет вид ломанной линии, состоящей из участков нарастания и спадания. Степень сглаживания тока определяется индуктивностью входного источника, а также частотой пилообразного напряжения u_гпн. Увеличение этих значений делает ток более сглаженным и приближенным к синусоидальной форме.

Ток в цепи нагрузки протекает в выпрямительном и инверторном режимах работы преобразователя, когда источник через открытые транзисторы или подключается к источнику входного переменного напряжения . Продолжительность протекания тока нагрузки определяется интервалами совместной работы транзисторов и .

Режим работы -преобразователя (выпрямление или инвертирование) определяется углом сдвига  между сетевым напряжением и первой гармоникой напряжения . Изменение фазы  напряжения осуществляется путем изменения фазы модулирующего напряжения относительно напряжения .

На рис. 4.25, а, б и 4.26, а, б приведены диаграммы токов и напряжений -преобразователя, полученные в результате математического моделирования, которые относятся к режиму выпрямления и инвертирования, соответственно Угол  в обоих случаях составляет 20 эл.град. В выпрямительном режиме фаза первой гармоники напряжения отстает от напряжения сети на угол  (рис. 4.25, а). В этом случае постоянная составляющая тока в цепи нагрузки (рис. 4.25, б) направлена встречно напряжению источника , что указывает на потребление им энергии от входного источника  , т. е. соответствует выпрямительному режиму работы преобразователя.

Рис. 4.25. Диаграммы работы преобразователя в выпрямительном режиме

Для перевода -преобразователя в инверторный режим работы необходимо изменить фазу  напряжения и сделать ее опережающей по отношению к напряжению (рис. 4.26, а). В этом состоит возможность перевода преобразователя из режима выпрямления в режим инвертирования только за счет изменения фазы  модулирующего напряжения u_м. Среднее значение тока нагрузки (рис. 4.26, б) становится отрицательным, что соответствует изменению направления тока, т. е. ток протекает от источника во входную цепь преобразователя. Совпадение знаков среднего значения тока и напряжения указывает на источник как источник энергии, а режим работы инвертора соответствует инвертированию (рекуперация) энергии.

Рис. 4.26. Диаграммы работы преобразователя в инверторном режиме

Из рис. 4.25 следует, что в выпрямительном режиме переменный входной ток преобразуется в выпрямленный ток цепи нагрузки. В режиме инвертирования переменное напряжение на выходе преобразователя формируется из постоянного напряжения нагрузки методом ШИМ. Следует отметить, что выпрямление напряжения сети с помощью вентилей не представляется возможным, поскольку, как установлено выше, напряжение на входе преобразователя превышает входное напряжение . Таким образом, -преобразователь следует рассматривать как выпрямитель переменного тока либо как инвертор постоянного напряжения .

Переменная составляющая тока нагрузки замыкается через цепь конденсатора фильтра С_d. Из рис. 4.25, 4.26 следует, что за период сетевого напряжения происходит две пульсации тока i_d ( )с частотой 2f_с, поэтому для уменьшения этой составляющей тока к зажимам цепи постоянного тока преобразователя подключают резонансный -фильтр, настроенный на частоту 2f_с.

Рассмотрим основные соотношения, характеризующие работу -пре­об­разователя. Принимаем синусоидальным напряжение источника переменного напряжения с нулевой начальной фазой:

. (4.32)

Первая гармоника напряжения u₁₁ на зажимах переменного тока преобразователя в общем случае имеет фазовый сдвиг ψ относительно и определяется выражением:

, (4.33)

где – амплитудное значение гармоники; ψ – фазовый угол сдвига.

Из рис. 4.24 следует, что фаза первой гармоники напряжения , совпадающего с полупериодами напряжения u₁, определяется фазой модулирующего напряжения u_м.

Первая гармоника сетевого тока инвертора в общем случае имеет некоторый угол φ относительно напряжения и определяется выражением

, (4.34)

где I_cm – амплитуда сетевого тока.

На рис. 4.27 представлена векторная диаграмма для выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя. Диаграмма построена в соответствии с данными рис. 4.25. и 4.26. Для ее построения использованы амплитудное значение сетевого напряжения и амплитуда первой гармоники напряжения , фазовый угол ψ составляет 20 эл. град.

В выпрямительном режиме напряжение отстает на некоторый угол ψ₁ от сетевого напряжения , а их разность U прикладывается к индуктивности L_с. В этом случае входная цепь определяется соотношением

. (4.35)

Из этого соотношения определим ток I_с1. Вектор тока I_с1 отстает от приложенного к индуктивности L_с напряжения U на угол 90^о. По отношению к сетевому напряжению ток имеет опережающий угол φ₁. При фиксированном положении вектора сетевого напряжения изменение положения вектора I_с1 можно достичь либо регулированием глубины модуляции μ, при котором изменяется длина вектора , или за счет изменения фазы ψ модулирующего напряжения u_м, позволяющего осуществлять вращение вектора напряжения . Изменением этих параметров можно достигнуть нулевого фазового сдвига φ = 0 сетевого тока I_с1 по отношению к напряжению (рис. 4.27, б). В этом заключается преимущество -преобразователя, состоящее в возможности поддержания cos φ = 1 при регулировании тока нагрузки в широком диапазоне.

Рис. 4.27. Векторные диаграммы работы 4qS-преобразователя

Достоинством работы такого преобразователя является простота в переходе из режима потребления к рекуперации энергии. Для перехода в режим рекуперации необходимо фазу модулирующего напряжения (рис. 4.27, а) сделать опережающей по отношению к . В этом случае потребляемый из сети ток будет противоположен вектору , что указывает на режим инвертирования энергии. Противофазного протекания тока в цепи источника в режиме инвертирования можно также достичь изменением параметров  и . Векторная диаграмма для этого случая показана на рис. 4.27, б, из которой следует, что вектор входного тока сдвинут на угол =180 эл. град по отношению к напряжению .

Таким образом, -преобразователь является реверсивным преобразователем, позволяющим осуществлять передачу электрической энергии как в цепь постоянного тока, так и обратно в питающую сеть. При этом во входной цепи можно обеспечить нулевой фазовый сдвиг между потребляемым током и сетевым напряжением в режиме выпрямления и противофазное направление тока в режиме инвертирования (рекуперация). Сетевой ток имеет синусоидальную форму, что определяет высокие энергетические показатели этого преобразователя.

Выводы

1. Величина и форма выходного напряжения автономного инвертора определяется величиной нагрузки. Близкая к синусоидальной форма выходного напряжения инвертора сохраняется в ограниченном диапазоне параметров цепи нагрузки.

2. 4qS-преобразователь обеспечивает нулевой сдвиг между потребляемым током и напряжением в режиме выпрямления и противофазное направление тока в режиме инвертирования. Сетевой ток имеет практически синусоидальную форму, что определяет высокие энергетические показатели этого преобразователя.